UZAY VE ZAMANI BİRLEŞTİRMEK

Özet

Albert Einstein 1905 yılında “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine” adlı makalesinde, uzayı ve zamanı tek bir matematiksel tanımda birleştiren özel görelilik kuramını ileri sürdü. Einstein özel görelilik kuramını iki postülat üzerine kurdu:

1.Postülat: Görelilik(Eşdeğerlik)İlkesi: Fizik yasaları evrenin her yerinde ve bütün eylemsiz referans sistemlerinde aynı şekilde işler.

2.Postülat: Işık Hızı Sabittir: Gözlemcinin veya ışık kaynağının hızından bağımsız olarak, bütün eylemsiz referans sistemlerinde ışığın boşluktaki yayılma hızı c’ye eşit bir sabittir.

Özel görelilik kuramı, kendi zamanı içinde inanılması güç pek çok sonuç doğurmuştur. Bunlardan en önemli üç tanesi şunlardır :

1.Eşzamanlılığın Göreli Oluşu: Bir eylemsiz sistemde eşzamanlı olan iki olay, genelde, diğer bir eylemsiz sistemde eşzamanlı değildir.

2.Zaman Genişlemesi: Hareketl saatler yavaş işler.

3.Uzunluk Büzülmesi (Lorentz Kısalması) : Hareketli cisimler kısalır.

1. Giriş

Albert’in uzay ve zamanın gizemlerini çözmeye başlaması on altı yaşındayken kendisine sorduğu şu soruyla başladı: “Işık hızında seyahat etmek acaba nasıl bir şey olurdu?” Albert ışık hızında seyahat etmenin nasıl bir şey olduğunu düşünmeye başladığında, çoğu bilim insanı evren hakkında her şeyin açıklandığını ve tek yapmaları gereken şeyin teoriler üzerinde ufak değişiklikler yapıp, denklemlerle biraz oynamak olduğunu düşünüyordu.

Isaac Newton, evrendeki her şeyin büyük bir düzenin parçası olduğunu düşünüyordu. Tüm gezegenler güneşin etrafında dönüyor ve atomlar birbirleriyle çarpışıp duruyordu. Bu durumda zamanın pek bir önemi yoktu. Newton buna “mutlak zaman” adını vermişti. Güneş ve insanlar gibi şeyler, uzayda hareket ediyor, diğerleri de oldukları yerde duruyordu. Hareket eden şeyler için “mutlak hareketli”, hareket etmeyenlere de “mutlak sabit” deniyordu.

2. Mutlak hareket diye bir şey yoktur

Fiziği tamamen değiştiren Albert’in izafiyet teorisi çok basit ama bir o kadar da şaşırtıcı bir fikirden ortaya çıkmıştır. “MUTLAK HAREKET DİYE BİR ŞEY YOKTUR.”. Var olan tek hareket GÖRECELİ harekettir (Bu yüzden izafi yani göreceli adını alır.).

Tüm evrende sadece bir gezegen ve güneş olduğunu varsayalım. Başka gezegenler, yıldızlar ya da uydular yok. Siz de o gezegende durmuş, güneşin gökyüzündeki hareketlerini izliyorsunuz. Güneş neden hareket ediyor ? 1.yanıt: Güneş mutlak olarak sabit duruyor ve gezegen de kendi ekseni etrafında dönüyor. 2.yanıt: Gezegen mutlak olarak sabit duruyor ve güneş de onun etrafında dönüyor. İki yanıt'dan hangisinin doğru olduğunu göstermek mümkün mü? Hayır.

Gezegenin döndüğünü veya güneşin döndüğünü (veya her ikisini birden) düşünebilirsiniz. Kimse de sizin yanıldığınızı ispatlayamaz. Aslında bu durum şöyle bir soruyu sormaya benziyor: “Ben mi senden uzunum yoksa sen mi benden kısasın?” Siz de güneşin hareket ettiğini ve gezegenin sabit durduğunu söylemeyi tercih edebilirsiniz. Ama bu bir gerçek değil sadece bir seçim olur. Ortamdaki tek gerçek güneşin gökyüzünde yerini değiştirmesi yani size göre göreceli olarak hareket etmesidir.

Albert göreceli hareketin varolan tek hareket türü olduğunu ispatlaya bilmiştir. Dünyanın sabit olduğunu ve Ayın, Güneşin, tüm yıldızların ve galaksilerin karmaşık yörüngeler çizerek hareket ettiğini düşünmek mümkündür. Ama yine bu bir gerçek ya da yanlış yargı değil, sadece bir seçimdir.

Apollo astronotları Ay’dayken Dünya'nın hareket ettiğini düşünmüştür. Sonra da Ayın sabit olduğunu düşünmüşlerdir. İnsanlar konuştukları şeyleri kolaylaştırmak için gerekli tercihleri yaparlar.

Görecelik dünyasında hızları ölçmek için kilometre ya da mil kullanılmaz Bunun yerine, ışık hızına oran gösterilir. Mesela saniyede 150 bin kilometre yerine, ışık hızının yarısı hızla veya 0.5c gidiyor diyebiliriz.(Işık hızı genellikle c ile gösterilir). Nesneler ışık hızına göre makul bir oranla gidiyorsa, işte o zaman izafiyet yani görecelik anlam kazanır.

3. Einstein postülaları

3.1. İzafiyet ilkesi: Sabit veya düz hareketli olup olmadığınızı size gösterebilecek hiçbir ölçüm yoktur.

Bu biraz garip gelebilir. Herkes hareket ettiğinde bunu söyleyebilir mi? Eğer bir trendeyseniz, hareket ettiğinizi arkadaşınıza nasıl ispatlayabilirsiniz ? Düz hareketle sabit durma arasındaki farkı gösterebileceğiniz bir yol var mı ? İnsanlar trenlerin veya nesnelerin Dünya’ya göre hareket ettiğini biliyorlar. Ama Dünya'nın değil de trenin hareket ettiğini gerçekten ispatlayabilir misiniz? Gerçekten sabit olup olmadığınızı nasıl anlayabilirsiniz ? İzafiyet ilkesi der ki: Siz hareket etseniz de etmeseniz de doğa kanunları aynıdır. Dolayısıyla hareketli olup olmadığınızı kesin olarak söyleyemezsiniz. “SABİT VEYA DÜZ HAREKET EDİP ETMEDİĞİNİZİ SİZE GÖSTEREBİLECEK HİÇBİR ÖLÇÜM YOKTUR”

Nesneler ne kadar hızlı giderse gitsin, acaba bu gerçekten doğru muydu? Kimse ışıktan daha hızlı giden bir şey bulmamıştı ve bu yüzden Albert kendisine ışık hızını seçti. Saniyede 300.000 milyon metre. Albert kendisinin ışık hızında gittiğini hayal edince, bir sonraki adımda ne yapacağını gayet iyi biliyordu…

3.2. Ne kadar hızlı giderse gitsin, ışık hızı herkes için aynıdır.

Işık hızında giden bir trende olduğunuzu ve vagonun arka tarafına baktığınızı varsayın. İşin garip tarafı, arka tarafı göremiyorsunuz. Aslında o yöndeki hiçbir şeyi göremiyorsunuz. Neden ? Çünkü siz sadece ışık nesnelerden gözünüze gelirse görebilirsiniz. Vagonun arkasından gelen ışınlar, ışık hızında ilerliyor olmalı ama siz de ışık hızında ilerlediğiniz için bu ışınlar asla size kadar ulaşamaz. Dolayısıyla hiçbir şey göremezsiniz. Çok garip. Üstelik daha kötüsü de var. İzafiyet ilkesini hatırlıyor musunuz ? Size sabit mi yoksa düz hareket halinde mi olduğunuzu belirtecek bir ölçüm yoktur demiştik. Ama biraz önce, size hareket halinde olduğunuzu gösteren bir test yaptınız. Eğer vagonun arka tarafını göremiyorsanız, o zaman hareket halinde olmalısınız (hem de ışık hızında). Ama izafiyet ilkesi bunun ispatlanamayacağını söylüyor. Şaşırtıcı değil mi?

İzafiyet ilkesi gerçekte çok basit bir kanundur. Peki yanılamaz mı? Doğru olduğunu farz edelim. Bakalım neler olacak ? Yani vagonun arka tarafını görememeniz bir şey ifade etmiyor diyelim. Dolayısıyla ne kadar hızlı giderseniz gidin, size normal görünmeli. Arka tarafın size normal görünmesinin tek yolu, arka taraftan gelen ışınların gözünüze ulaşmasıdır. Bunun başka bir açıklaması olamaz, tabi eğer bu ilke doğruysa. Böylece vagonun arka tarafı normal görünmeli ve ışık da normal bir şekilde davranmalıdır.

Bu tek bir şekilde gerçekleşebilir. Işık trenin tüm hareketinden bağımsız olarak, sanki tren hiç hareket etmiyormuş gibi vagonun arka tarafından her zamanki hızıyla gözlerinize ulaşmalıdır. Işık hızı hareketli olsun ya da olmasın herkes için aynı olmalıdır. Sonucun oldukça acayip olmasına rağmen, Albert bunun-yani ışığın herkes için aynı hızla gittiğini- doğru olduğunu farz etmeye karar verdi ve gerekli çalışmaları yürüttü. Ulaştığı sonuç çok önemliydi. NE KADAR HIZLI GİDERSE GİTSİN, IŞIK HIZI HERKES İÇİN AYNIDIR.

4. Özel görelilik kuramının sonuçları

4.1. Uzay ve zamanın gizemleri: Birinci kural: Hareketli bir araç içindeki zaman yavaşlar

Albert kendi kendine hızın ne olduğunu sormuş ve bir mesafeyi kat etmek için geçen süre olduğunu bulmuştur. Zamanı ölçmenin bir yolu saat kullanmaktır. Ama farklı bir saat… Işık saati. Işık saati düşünmek için gayet iyi bir şeydir ve ışığı düşünmenin yüksek hızlı seyahatin etkilerini keşfetmek için iyi bir yol olduğunu zaten biliyoruz.

Işık saatini yüksek hızlı bir yolculuğa gönderdiğinizi düşünün. Hızınız arttıkça acaba ne olacaktır? Yine saniyede yüz milyon metre hızla hareket edebildiğinizi düşünelim. Dolayısıyla ışık size göre oldukça yavaş hareket edecektir ve saniyenin yüz milyonda biri (on nano saniye) size oldukça uzun bir zaman gibi gelecektir.

Ali isimli bir arkadaşınız önünüzde duruyor ve elinde ışık saatini tutuyor. Siz de ışık saatinin üzerinde yoğunlaşıyorsunuz. Işık huzmesi saatin içinde bir aşağı bir yukarı hareket ediyor. Gece vakti ve karanlıkta görebildiğiniz tek şey arkadaşınız ve ışık saati. Ama ışığın yukarı aşağı hareketlerini açıkça görebiliyorsunuz. Işık huzmesi aynalardan birisine her ulaştığında, saat tıklıyor. Her nano saniyede bu tıklamayı duyabiliyorsunuz. Tabi ki ışık huzmesinin de ışık hızında ilerlediğini görebiliyorsunuz.

Şimdi Ali ışığın dörtte biri hızla yürümeye başlıyor ve elinde de ışık saati var. Şimdi ise Ali koşmaya başlıyor. Her iki durumda da ışık huzmesi nasıl hareket ediyor ? Ali yanınızdan ne kadar hızlı geçerse, ışık huzmesinin kat edeceği mesafe o kadar artar. Ama Ali ne kadar hızlı giderse, ışık da o kadar hızlı gider diyemeyiz. Çünkü ışık hızı ne kadar hızlı giderse gitsinler herkes için aynıdır. Sonuçta, daha uzun bir mesafe kat etmesi gerekiyor ve hızını da arttıramıyor. Yani saatin alt kısmına ulaşması ve tıklaması daha uzun zaman alıyor. Dolayısıyla tıklamaların arasında daha uzun zaman var. Başka bir deyişle, saat yavaşlıyor. Yani “HAREKETLİ BİR ARAÇ İÇİNDEKİ ZAMAN YAVAŞLAR”.

4.2. Uzay ve zamanın gizemleri: İkinci kural: “Bu sırada” diye bir şey yoktur

Albert ortaya çıkıncaya kadar, bilim insanları saatlerin tüm evrende nereye giderlerse gitsinler ve ne olursa olsun aynı zamanı gösterdiğini düşünüyordu. Ancak Albert ne kadar hızlı gittiğinize bağlı olmak üzere, zamanın farklı olarak ilerlediğini bulmuştur. Dolayısıyla farklı insanlar farklı saatlerin farklı zamanları gösterdiğini görecektir. Dünya’da saat yediyken, bu sırada Alpha Centauri’de saatin yedi olduğunu söyleyemezsiniz. Aslında “bu sırada” lafını kullanmak son derece tehlikelidir. Hatta şöyle bir şey bile denebilir: “BU SIRADA DİYE BİR ŞEY YOKTUR”.

4.3. Uzay ve zamanın gizemleri: Üçüncü kural: Hareket eden nesneler kısalır

Ahmet, Mehmet, Zeynep ve Elif'in bir trenin uzunluğunu ölçmek istediğini düşünelim. Tren istasyonda dururken treni ölçüyorlar ve 12 metre uzunluğunda olduğunu buluyorlar. Peki, saniyede 120 milyon metre hareket ederken uzunluğu ne olacaktır ? Bunu nasıl ölçebilirler ?

Neyse ki yanlarında ışın tabancaları var. Bugün öğle yemeğinde saatlerini ayarlamışlar ve yine aynı kol saatleri takıyorlar. Eğer bir ışının söz konusu mesafeyi ne kadar sürede kat ettiğini bulabilirlerse, bu zamanı ışının hızıyla çarparak (yani ışık hızıyla) trenin uzunluğunu bulabilirler.

Dolayısıyla, vagonun önünde duran Elif ışın silahını arkada duran Ahmet'e doğru ateşliyor. Elif tetiği çektiği zamanı, Ahmet de ışının kendisine ulaştığı zamanı not ediyor. Işığın kat ettiği mesafeyi hesaplaya bilmeleri için ufak bir hesap yapmaları gerekiyor. “Trenin uzunluğu= ışık hızı*zaman farkı”. Zaman farkının 0,00000004 saniye olduğunu düşünelim. Bu bilgiden yola çıkarak vagonun 12 metre uzunluğunda olduğunu bulabilirler ( çünkü 300.000.000*0,00000004=12 ).

Tren istasyonda dururken buldukları uzunluğun aynısı. Elif ve Ahmet'e göre, vagonun uzunluğu 12 metre. Peki ya vagonun dışında duran Mehmet ve Zeynep aynı yöntemle vagonun uzunluğunu ölçmeyi denerse ? Mehmet, Elif tabancayı ateşlediğinde, Zeynep de ışın Ahmet'e ulaştığında saatin gösterdiği zamanı not ediyor. Onlar da aynı hesapları yapıyorlar ama bu kez vagonun 11 metre boyunda olduğunu buluyorlar. İşte bunun nedeni: Mehmet ve Zeynep için ışın Ahmet'e doğru hareket ederken, Ahmet de vagonla birlikte mesafe kat ediyor. Dolayısıyla Mehmet ve Zeynep için vagon Elif ve Ahmet için olduğundan daha kısa. Başka bir deyişle, eğer bir tren hareketliyse hareket etmediği zamandan daha kısadır. Yani “HAREKET EDEN NESNELER KISALIR”.

Kaynak :

Mike Goldsmith / EINSTEIN Çılgın Teorisyen